Des cellules solaires en pérovskite, ça peut aller plus loin ?
Zwei Schichten für mehr Effizienz. Tandem-Solarzellen auf Perovskitbasis können Sonnenlicht besser einfangen als herkömmliche Solarzellen aus Silicium. Im Labor konnten sich die leichten und flexiblen Zellen bereits beweisen – jetzt arbeiten Empa-Forschende daran, sie zu skalieren und alltagstauglich zu machen.
Les tuiles, c’était hier : Aujourd’hui, on voit sur un nombre croissant de toits suisses de grands rectangles noirs et bleus qui transforment la lumière du soleil en électricité. La couleur noir-bleu est due aux cristaux de silicium, car la majorité des cellules solaires disponibles aujourd’hui sont basées sur ce matériau semi-conducteur. Mais le silicium n’est pas le seul moyen de fabriquer des cellules photovoltaïques – et peut-être pas le meilleur.
Les cellules photovoltaïques à base de silicium sont aujourd’hui tellement développées qu’elles ont atteint les limites de leur efficacité. Bien qu’il soit possible de gagner quelques points de pourcentage supplémentaires, la limite supérieure théorique du rendement d’une cellule simple au silicium est de 33%. En pratique, elle est légèrement inférieure, car la construction et le fonctionnement des cellules entraînent inévitablement de petites pertes d’énergie.
La raison de cette efficacité limitée est due aux propriétés matérielles du silicium. La « bande interdite » du matériau fait que seuls les photons ayant une certaine énergie peuvent être convertis en électricité. Si l’énergie du photon est trop élevée, il ne peut pas être entièrement « utilisé » par la cellule solaire.
Deux couches valent mieux qu’une
Les cellules solaires fabriquées à partir d’autres matériaux offrent une possibilité de contourner cette limitation, explique Fan Fu, chercheur à l’Empa. Ce chef de groupe au laboratoire des films minces et du photovoltaïque mène des recherches sur les cellules solaires à haut rendement en pérovskite. Une cellule simple en pérovskite n’atteint certes pas à elle seule un rendement plus élevé, car la pérovskite, en tant que semi-conducteur, a elle aussi une bande interdite limitée. La véritable force de ce matériau innovant réside dans le fait que, contrairement au silicium, cette bande interdite peut être contrôlée en faisant varier la composition du matériau perovskite.
Si l’on transforme deux pérovskites avec des bandes interdites différentes en cellules solaires à couche mince et qu’on les « empile » l’une sur l’autre, on obtient une cellule solaire dite tandem. Une couche de pérovskite « capture » les photons de haute énergie, l’autre ceux de basse énergie. Il est ainsi possible d’atteindre un rendement théorique de 45%, soit bien plus que les 33% des cellules simples. Il est également possible de combiner une couche de pérovskite avec une couche de silicium pour obtenir une cellule tandem à haut rendement.
Actuellement, Fu et son équipe se concentrent sur les cellules tandem en pérovskite pure, notamment dans le cadre du projet de recherche européen « SuPerTandem », auquel participent 15 institutions de recherche et entreprises européennes de premier plan. L’objectif du projet : développer des modules tandems en pérovskite flexibles avec un rendement de plus de 30 pour cent, qui peuvent en outre être produits avec des procédés évolutifs et peu coûteux. Car c’est là un autre point fort des cellules solaires en pérovskite : « Les cellules solaires au silicium nécessitent généralement des monocristaux de silicium d’une grande pureté, fabriqués à haute température », explique Fu. « En revanche, les couches minces de pérovskite peuvent être imprimées, évaporées ou déposées à partir d’une solution, avec une empreinte carbone réduite en conséquence. Les petits défauts qui en résultent n’affectent que très peu leurs propriétés optoélectroniques »
Les avantages potentiels de projets tels que « SuPerTandem » sont énormes, car plus le rendement est élevé, moins l’installation solaire coûte cher au final. « La cellule elle-même représente moins de 20 pour cent du coût d’une installation photovoltaïque », explique Fu. « Les 80 pour cent restants concernent le câblage, les onduleurs, le contrôle et, bien sûr, la main-d’œuvre nécessaire à l’installation » Si l’on augmente l’efficacité de chaque cellule, une installation PV plus petite – et donc moins chère – suffit pour produire la même quantité d’électricité. Les cellules à couches minces en pérovskite peuvent également être fabriquées sur des films légers et flexibles, plutôt que sur des plaques de verre lourdes et rigides comme les cellules au silicium. Elles peuvent donc être utilisées dans un plus grand nombre d’endroits, par exemple sur les toits des voitures ou sur les structures à faible capacité de charge.
Du laboratoire au toit
Ce grand potentiel des cellules solaires en pérovskite doit maintenant être exploité. Outre « SuPerTandem », Fan Fus Team travaille également sur deux projets suisses. Dans un projet financé par le Fonds national suisse (FNS), l’équipe de l’Empa travaille à mieux comprendre les propriétés fondamentales et les défis des cellules solaires en pérovskite, qui contribuent à leur efficacité et à leur stabilité. Et dans le cadre d’un projet avec l’Office fédéral de l’énergie (OFEN), ils mettent immédiatement en pratique leurs connaissances déjà acquises en mettant à l’échelle les cellules tandem développées à l’Empa.
Que devons-nous encore faire pour que les carrés noirs et bleus sur le toit soient bientôt rejoints par des feuilles de perovskite rougeâtres ? « Nous devons d’abord faire passer les cellules pérovskites des prototypes actuels de quelques centimètres à des tailles industrielles », explique Fu. Il faudra également protéger efficacement les cellules, encore un peu fragiles, contre les intempéries. Le chercheur de l’Empa est optimiste quant à la réussite de ces deux objectifs dans les cinq à dix prochaines années. « Nous faisons de bons progrès et il y a un grand intérêt de la part de l’industrie », dit le scientifique. « Cela fait à peine 15 ans que la recherche s’intéresse aux cellules solaires en pérovskite. Les cellules au silicium font l’objet de recherches depuis près de 70 ans, tout de même »